对于移动体的各种控制而言，根据控制对象对目标的全部或部分上 的应力进行检测是必需的，所述移动体例如汽车和轮船、自动机械和机 器制造设备，或者由用户持有和使用的移动设备，例如笔记本个人计算 机、蜂窝电话、PDA(个人数字助理)、DVC(数字视频照相机)和DSC(数 字静态照相机)等。通过根据作用在目标的全部或部分上的加速度来检 测应力，能够检测出加速度。
常规上，已经开发出用于检测此应力或加速度的各种装置。作为一 种这样的装置，已知如下的一种装置：其在半导体基板上形成应变计 (gauge resistance)，并利用压阻效应将因外部施加的力而产生的机械 形变转换成电信号(“3-axis sensor development”，‘Inventions’ Journal，pages 52 to 63，September 2003；issued by the Invention society)。此外，在“3-axis sensor development”(‘Inventions’ Journal，pages 52 to 63，September 2003；issued by the Invention society)中解释了还可以使用与形变相对应的静电容量中的改变来替代 使用应变计的压阻效应的事实。
具体而言，在“3-axis sensor development”(‘Inventions’Journal， pages 52 to 63，September 2003；issued by the Invention society) 中描述的发明的特征在于：利用形成在半导体基板上的沿多个轴方向的 力传感器，能够在一个装置内构成多种类型的传感器，也就是，4种类型 的传感器，即3轴力传感器、3轴加速度传感器、3轴角速度传感器和6 轴运动传感器。
此外，当将用于检测车辆加速度的加速度传感器用于车辆制动控制 等时，加速度传感器的故障会导致判断出不必要的制动或者不稳定的状 态，例如车辆旋转。因此，已经建议了一种用于检测加速度传感器异常 以防止这些问题的装置(日本特开平9-113535号公报)。在日本特开平 9-113535号公报的发明的情况下，分别放置两个加速度传感器以相对于 沿着车辆前或后方向的轴构成相等的角度，当任一加速度传感器的所检 测加速度的波动宽度低于一预定值的状态持续了预定时间，并且另一加 速度传感器的所检测角速度的波动宽度同时超过一预定值时，判断装置 利用一个加速度传感器判断出异常。
此外，作为另一项发明，已提出了一种技术，该技术解决了在加速 度传感器进行检测所处的检测轴的方向与实际传递到传感器的物理量的 方向不一致的问题(日本特开2003-227844号公报)。
加速度传感器进行检测所处的检测轴的方向与实际传递到传感器的 物理量的方向不一致的问题出现在下述情况中，例如：
即，在车辆内安装有导航设备的情况下，加速度传感器测位车辆的 当前位置，并作为在检测车辆与参考点的位移方向或速度变化时的基准， 该传感器装配有建立在固定方向上的检测轴。
因而，当检测轴的方向与实际加速度的方向相一致时，不会出现问 题。然而，通常，在车辆内安装有导航设备的情况下，经常会出现由于 车辆安装结构的限制和与内部结构的关系等，导致导航设备被倾斜安装 的情况。在这种情况下，检测轴的方向与实际加速度的方向并不一致， 在与检测轴垂直的方向中检测到的分量作为噪声出现。因此，出现检测 错误，所以难以进行精确的位置测量。因此，为了解决这一问题，预先 规定车辆内的安装角度，并由内置程序校正在规定安装角度内的错误。
鉴于上述事实，在日本特开2003-227844号公报中出现的发明被构 成为：当安装为导航设备配备的传感器时，预先以一定的角度来安装传 感器，以便抵消在车辆内安装导航设备的规定安装角度，从而使检测轴 的方向与实际加速度的方向相一致。
“3-axis sensor development”(‘Inventions’Journal，pages 52 to 63，September 2003；issued by the Invention society)和日本特 开平9-113535号公报完全未提及在检测轴方向和垂直方向上的不必要输 出导致的测量误差所引起的问题。另一方面，日本特开2003-227844号 公报公开了这样一种方法：当与规定安装角度相对应地在传感器装置上 安装传感器时，预先调整传感器的安装角度。
因此，在日本特开2003-227844号公报的情况下，必需为各个规定 的安装角度准备具有对应的传感器安装角度的传感器装置，因此，不能 将其普遍地用于各种规定的安装角度。

根据这些事实，本发明的一个目的是提供一种用于具有多轴传感器 的力传感器装置的应力检测方法和采用该方法的力传感器装置，更具体 地，用于使传感器装置的安装角度可被任意设置。
根据第一方面，一种解决了本发明上述问题的用于具有多轴传感器 的力传感器装置的应力检测方法，所述力传感器装置包括检测轴相互正 交的第一和第二力传感器作为多轴传感器，其中，当第一力传感器的检 测轴与传递被检测应力Ax的轴方向形成角度θ，并且在与传递被检测应 力Ax的轴相垂直的轴方向上的应力分量是Az时，求得第一力传感器的 轴方向的输出Apx为Apx＝αx(Ax×cosθ+Az×sinθ)，并且求得第二力传感 器的轴方向的输出Apz为Apz＝αz(Ax×sinθ+Az×cosθ)，并且，当αx和αz 分别是第一和第二力传感器的检测灵敏度系数时，将第二力传感器的检 测灵敏度系数αz设置为αz＝αxtanθ，求得输出Apx与输出Apz之间的差 值Apx-Apz，并且根据该差值求得被检测应力Ax为：
Ax＝(Apx-Apz)/αx(cosθ-tanθ×sinθ)。
根据第二方面，一种解决了本发明的上述问题的用于具有多轴传感 器的力传感器装置的应力检测方法是一种用于具有多轴传感器的力传感 器装置的应力检测方法，所述力传感器装置包括作为多轴传感器的：第 一和第二力传感器，所述第一和第二力传感器在相反方向上与传递被检 测应力F1的轴方向形成角度Φ；以及，第三力传感器，其检测轴位于与 由第一和第二力传感器的检测轴所形成的平面相垂直的方向上，其中， 当由第一和第二力传感器形成的平面与传递被检测应力F1的轴方向形成 角度θ，并且在与传递被检测应力F1的轴相垂直的轴方向上的应力分量 是F2时，求得第一力传感器的轴方向的输出Fx为 Fx＝αx×(F1×cosΦ×cosθ-F2×sinθ)，求得第二力传感器的轴方向的输出 Fy为Fy＝αy×(F1×cosΦ×cosθ-F2×sinθ)，求得第二力传感器的轴方向输 出Fz为Fz＝αz×(F1×sinθ-F2×cosθ)，求得输出Fx、Fy和Fz的合成输出 F为F＝Fx+Fy-Fz；并且，当αx、αy和αz分别是第一、第二和第三力传 感器的检测灵敏度系数时，第三力传感器的检测灵敏度系数αz是 αz＝(αx+αy)×tanθ，随后根据合成输出F求得被检测应力F1是 F1＝F/{(αx+αy)cosΦ×cosθ-αz×sinθ}。
解决了本发明的上述问题的第一方面的具有多轴传感器的力传感器 装置包括：其检测轴相互正交的第一和第二力传感器；以及用于对第一 和第二力传感器的输出进行处理的电路，其中，当第一力传感器的检测 轴与传递被检测应力Ax的轴方向形成角度θ，并且在与传递被检测应力 Ax的轴相垂直的轴方向上的应力分量是Az时，所述电路输出：Apx＝ αx(Ax×cosθ+Az×sinθ)作为第一力传感器的轴方向的输出Apx， Apz＝αz(Ax×sinθ+Az×cosθ)作为第二力传感器的轴方向的输出Apz，其 中αx和αz分别是第一和第二力传感器的检测灵敏度系数，第二力传感器 的检测灵敏度系数αz被设置为αz＝αxtanθ；求得输出Apx和输出Apz之 间的差值Apx-Apz；并且根据该差值来检测并且输出被检测应力Ax为 Ax＝(Apx-Apz)/αx(cosθ-tanθ×sinθ)。
解决了本发明的上述问题的第二方面的具有多轴传感器的力传感器 装置是一种具有多轴传感器的力传感器装置，包括作为多轴传感器的： 第一和第二力传感器，所述第一和第二力传感器在相反方向上与传递被 检测应力F1的轴方向形成角度Φ；以及，第三力传感器，其检测轴位于 与由第一和第二力传感器的检测轴形成的平面相垂直的方向上，其中， 由第一和第二力传感器形成的平面与传递被检测应力F1的轴方向形成角 度θ，该力传感器装置还包括：对第一、第二和第三力传感器的输出进行 处理的电路，当与传递被检测应力F1的轴相垂直的轴方向上的应力分量 是F2时，该电路输出：第一力传感器的轴方向的输出Fx为 Fx＝αx×(F1×cosΦ×cosθ-F2×sinθ)，第二力传感器的轴方向的输出Fy 为Fy＝αy×(F1×cosΦ×cosθ-F2×sinθ)，第三力传感器的轴方向的输出Fz 为Fz＝αz×(F1×sinθ-F2×cosθ)，以及输出Fx、Fy和Fz的合成输出F为 F＝Fx+Fy-Fz；并且，当αx、αy和αz分别是第一、第二和第三力传感器 的检测灵敏度系数时，第三力传感器的检测灵敏度系数αz是 αz＝(αx+αy)×tanθ，并且根据合成输出F来检测并且输出被检测应力F 为F1＝F/{(αx+αy)cosΦ×cosθ-αz×sinθ}。
解决了本发明的上述问题的第三方面的具有多轴传感器的力传感器 装置包括：第一和第二力传感器，被设置为在相反方向上相对于与形成 矩形的所述装置的边相平行的被检测轴方向形成一预定的角度Φ；以及， 第三力传感器，其检测轴与第一和第二力传感器的检测轴所形成的平面 相垂直。
作为解决本发明的上述问题的第四方面的具有多轴传感器的力传感 器装置，所述预定的Φ是45°。
解决了本发明的上述问题的第五方面的具有多轴传感器的力传感器 装置包括：具有矩形外部边缘的框架部分；设置在框架部分内的重体 (weight)；以及设置在通过重体的中心的正交轴方向上的4个挠性的支 撑体(下文中称作“梁”)，所述梁的各自的一端连接到重体，所述梁的 各自的另一端以与框架部分的外部边缘形成45°角的倾斜角连接到框架 部分，其中，所述4个挠性梁中的每一个包括检测元件，当由于由惯性 力导致重体发生的位移所产生的应力被传递到重体时，所述检测元件的 物理量根据梁的挠性而变化。
解决了本发明的上述问题的第六方面的具有多轴传感器的力传感器 装置是这样一种力传感器装置，其中，根据第五方面，所述物理量变化 的检测元件包括4个压阻元件，所述4个压阻元件设置在通过重体的中 心的两个相互正交的轴方向上和所述梁与框架部分和重体相连的位置 上；并且，所述4个压阻元件与惠斯登电桥相连。
解决了本发明的上述问题的第七方面的具有多轴传感器的力传感器 装置是这样一种力传感器装置，还包括：根据第五方面，两组压阻元件， 每组压阻元件由位于两个正交轴方向中的任一轴方向上的4个压阻元件 构成，其中通过两组中的一组的4个压阻元件来检测第一轴方向的应力， 并且通过另一组的4个压阻元件来检测在与所述两个正交轴方向相垂直 的方向上的应力。
解决了本发明的上述问题的第八方面的具有多轴传感器的力传感器 装置是这样一种力传感器装置，还包括：根据第七方面，开关单元，对 将位于两个正交轴方向中的任一轴方向上的4个压阻元件中的2个电阻 元件连接到惠斯登电桥的结构进行反向切换，其中利用通过该开关单元 的连接切换，可以对所述第一轴方向上的应力进行检测或对所述垂直方 向上的应力进行检测。
解决了本发明的上述问题的第九方面的具有多轴传感器的力传感器 是这样一种力传感器装置，其检测在被检测轴方向上传递的应力，该力 传感器装置包括：具有矩形的外部边缘的框架部分；设置在框架部分内 的重体；以及，设置在通过重体的中心的正交轴方向上的4个挠性梁， 所述梁各自的一端连接到重体，所述梁各自的另一端以与框架部分的外 部边缘形成45°角的倾斜角连接到框架部分，其中第一电极部分形成在重 体和4个挠性梁中的每个梁上，该力传感器装置还包括：被布置为隔着 绝缘体面对第一电极部分的反向电极部分，其中当应力被传递到重体时， 第一电极部分和反向电极部分之间的电容根据梁的挠性而变化。
此外，具有多轴传感器的力传感器装置和该力传感器装置的力检测 方法的附加的方面在于，根据第一方面，预先存储第二力传感器的轴方 向上的输出Apz和角度θ之间的对应关系；保持该力传感器装置静止，使 得第一轴方向处于水平方向上；随后，根据所存储的对应关系，通过所 述求得的第二力传感器的输出求得对应角度θ；并存储所述求得的角度θ， 并且根据所述求得的角度θ来求得对应第二力传感器的检测灵敏度系数。
具有多轴传感器的力传感器装置和该力传感器装置的力检测方法的 附加的方面在于，根据第二方面，预先存储第三力传感器轴方向的输出 Fz和角度θ之间的对应关系；保持该力传感器装置静止，使得将由第一和 第二力传感器的检测轴形成的平面处于水平方向上；随后，根据所存储 的对应关系，通过所述求得的第三力传感器的输出求得对应角度θ；并且 存储所述求得的角度θ，并根据所述求得的角度θ来求得对应的第三力传 感器的检测灵敏度系数。
此外，具有多轴传感器的力传感器装置和该力传感器装置的力检测 方法的附加方面在于，所述求得的角度θ的存储可以被重新设置。
通过将在下文中参照附图描述的实施例，本发明的特征将变得更加 明显。
根据本发明，由于能够消除与检测轴相垂直的应力分量，所以当将 根据本发明的传感器装置安装在用于检测的设备上时，可以仅通过输入 安装角度θ而与具体安装角度无关地使用该传感器装置。此外，还可以将 该传感器装置构造成，自主地检测安装角度，而非从外部输入安装角度。 因此，采用了本发明的传感器装置能够被普遍地使用。

图1示出了要解决的在现有技术中存在的问题；
图2是当考虑基板安装时力传感器装置1的剖面概念图；
图3示出了本发明第一实施例的操作原理；
图4示出了当使用了由“3-axis sensor development” (‘Inventions’Journal，pages 52 to 63，September 2003；issued by the Invention society)引入的多轴传感器时本发明的应用的组合；
图5A示出了本发明的第二实施例的操作原理；
图5B示出了力传感器c的应力检测；
图5C示出了当由x轴和y轴构成的平面倾斜θ时各个力传感器相对 于应力F1的检测分量；
图6示出了一个实施例，其中使用多轴电阻器型力传感器芯片构成 采用了本发明的力传感器装置；
图7示出了一个结构示例，其在将第二实施例构造为力传感器装置 的情况下实现了封装小型化；
图8示出与在图6和图7中的三个轴方向上的应力传感器上的应力 相对应的压敏电阻器的改变；
图9是在图6B的剖面图中示出的传感器芯片的梁(beam)13上形成 的压敏电阻器的连接的示例；
图10示出了与力传感器a、b和c相对应的惠斯登电桥连接；
图11示出了输出电路块100的结构；
图12示出了压敏电阻器连接的示例，其中通常与X-轴传感器或Y轴 传感器压阻元件一起使用Z轴传感器压阻元件；
图13示出了当考虑了梁压力的均匀性时的另一个压敏电阻器的形成 示例；
图14是与图12所示的实施例相对应的输出电路块100的结构示例；
图15示出了开关电路101的操作；
图16示出了根据本发明的传感器装置的另一结构示例；
图17示出了对于各个实施例相同的传感器装置的封装结构的实施 例；
图18示出了根据本发明的力传感器装置的效果；
图19是自主地求得倾斜角度θ的实施例的结构的框图；
图20表示在自主地求得倾斜角度θ的情况下图19中的实施例的操作 流程；以及
图21示出了Z轴方向力传感器的输出和倾斜角度θ之间的关系。

在下文中将参照附图描述本发明的实施例。此外，在下文中描述的 实施例便于理解本发明，但是本发明的技术范围并不限制于这些实施例。
在此，为了正确地理解本发明，在描述实施例之前，将参照图1描 述在日本特开2003-227844号公报中说明的要解决的问题。
假设力传感器1的应力检测轴是1a，被检测轴方向是X，与X垂直 的轴方向是Z。
如图1A所示，假设力传感器1的应力检测轴1a与被检测轴方向X 形成的角度是θ，则力传感器1的检测输出Apx由下式给出：
Apx＝αx(Ax×cosθ+Az×sinθ)              公式(1)
其中Ax是沿检测轴方向X传递的应力分量，Az是沿与被检测轴方向 X相垂直的轴方向Z传递的应力分量，而αx是力传感器1的检测敏感度 系数。
1)当检测轴和应力的对应方向相一致时：
在这种情况下，如图1B所示，由于应力检测轴1a与被检测轴方向X 形成的角度θ是0°，所以通过公式(1)仅检测到在X轴方向上的应力分 量Ax，并且即使在沿Z轴方向传递了应力分量Az时也不会检测到Az。 因此，能够正确地检测在构成目标的被检测轴方向X上传递的应力。
2)当检测轴和应力的对应方向不一致时：
另一方面，如图1A所示，在相对于与X轴相一致的应力分量的方向 同样倾斜θ安装的情况下，力传感器1的输出Apx如公式(1)所示。因 此，例如，根据由于重力引起的在Z轴方向上的应力分量Az，将 αx×Az×sinθ检测为噪声。即，在检测中，在力传感器1的应力检测轴1a 的方向上出现了Z方向上的分量。
因此，为了不检测这个Az分量，在日本特开2003-227844号公报中 公开的发明的情况下，当将力传感器装置安装在基板上时，必需预先使 力传感器装置倾斜，以便力传感器装置的检测轴与传递应力的方向相一 致，如在以上的1)中所示。
图2是在考虑了这种基板安装的情况下的力传感器1的剖面概念图。 当将力传感器1安装到待测量的设备上时，在规定以角度θ安装在其上安 装有力传感器1的基板2的情况下，基板2与待检测的应力方向X形成 角度θ。
因此，在基板2上安装有力传感器1的情况下，力传感器1的应力 检测轴1a与应力的方向X不一致。因此，如图2所示，将力传感器1构 造为，使得在力传感器1之下设置角度为θ的基座3。
因此，如图1B所示，力传感器1的应力检测轴1a与应力方向X相 一致。因此，因为仅检测到X方向上的应力分量Ax，而未检测到Z方向 上的应力分量Az，所以能够防止噪声的出现。
然而，在这种结构中，需要与用于对各个所测量的设备进行安装所 规定的角度θ相对应的基座3。此外，由于基座3的存在，使包括覆盖力 传感器1的盖部分4的高度h增加，此高度的增加并不符合力传感器装 置小型化的要求。因此，本发明给出对此问题的一种解决方案。
第一实施例
图3示出了本发明第一实施例的操作原理。
在图1中所示的常规示例中，为了检测在目标体的检测轴方向上的 应力，使用了仅具有一个检测轴的力传感器。相反地，在根据本发明的 第一实施例中，使用了2轴检测输出。
作为一个实施例的示例，在图3所示的示例中，使用了2轴检测输 出(即：在水平方向上的轴(X轴)和在垂直方向上的轴(Z轴))。
也就是说，如图3所示，力传感器1具有用于分别检测与X轴和Z 轴方向对应的应力分量的力传感器1a和1b。在相对于目标体的被检测轴 X倾斜θ来安装力传感器1的情况下，针对包括X轴检测分量Ax和Z轴检 测分量Az的应力A，生成由力传感器1a检测到的应力分量Apx和由力传 感器1b检测到的应力分量Apz。
也就是，力传感器1a的检测输出Apx因而是：
Apx＝αx(Ax×cosθ+Az×sinθ)              公式(2)
而Z轴方向力传感器1b的输出Apz因而是：
Apx＝αz(Ax×sinθ+Az×cosθ)              公式(3)
在此，本发明的应力检测方法的特征在于将αx和αz之间的关系设定 为：
αz＝αxtanθ                              公式(4)
其中αx和αz分别是为沿目标体的检测轴X方向进行应力检测所准备 的两个力传感器1a和1b的检测灵敏度系数。
因此，能够从通过力传感器1a如此检测到的被检测轴方向上的应力 分量Apx中消除Az分量。
也就是，当确定力传感器1a和1b的输出之间的差值Apx-Apz时：
Apx-Apz＝Ax(αx×cosθ-αz×sinθ)          公式(5)
         +Az(αx×sinθ-αz×cosθ)
因为根据公式(4)αz＝αxtanθ，所以公式(5)因此变成：
Apx-Apz＝Ax(αx×cosθ-αz×sinθ)
       ＝Axαx(cosθ-tanθ×sinθ)
因此，如此求得在被检测轴X的方向上的应力检测输出Ax是：
Ax＝(Apx-Apz)/αx(cosθ-tanθ×sinθ)       公式(6)
并消除了Az分量。
例如，当倾斜角度θ＝10°时，
αz＝0.176×αx                             公式(7)
Ax＝(Apx-Apz)/0.954αx                       公式(8)
检测输出大约降低了5％。然而，通过使用X轴和Z轴方向上的2 个轴检测器并使Z轴方向上的检测灵敏度更加合适，可以进行仅在X轴 方向上的应力检测。
此外，尽管在公式(2)至公式(8)中考虑了在X轴方向和Z轴方 向上的检测轴，但是在被检测轴方向是Y轴方向的情况下，很容易理解： 对于在Y轴方向和Z轴方向上的检测轴同样如此。
即，图4示出了在例如使用了由“3-axis sensor development” (‘Inventions’Journal，pages 52 to 63，September 2003；issued by the Invention society)引入的多轴传感器时本发明的应用的组合。在 图4中，方式I对应于上面的第一实施例，并表示使用在X轴和Z轴方 向上的力传感器并且根据在X轴方向上的应力来检测加速度的情况。作 为此情况的条件，用于各个传感器的灵敏度的条件是：
αz＝αxtanθ
类似地，方式II使用Y轴和Z轴方向上的力传感器，并表示根据Y 轴方向上的应力来检测加速度的情况。作为此情况的条件，用于各个传 感器的灵敏度的条件是：
αz＝αytanθ
第二实施例
图5A至图5C示出了本发明的第二实施例的操作原理。该实施例通 过使用3个力传感器来检测在被检测轴上的应力。
图5A示出了当在被检测轴X(或Y轴，在下文中描述为X轴)上提 供有应力F1时x和y轴的压力分量，所述x和y轴是在相反的方向上与 被检测轴X形成了角度Φ的两个轴。提供用于沿着x和y轴检测应力分量 的两个力传感器a和b。
分别通过力传感器a和b检测到的应力分量Fx1和Fy1如下：
Fx1＝αx×F1×cosΦ
Fy1＝αy×F1×cosΦ
传感器还包括力传感器c，它作为第三力传感器检测在z轴方向上的 应力。图5B示出了力传感器c的应力检测。
重力(F2)作为在Z轴方向上的应力作用在力传感器c上。因此， 通过力传感器c在Z轴上检测到的应力分量Fz1如下：
Fz1＝αz×(-F2)
在此，图5C示出了当由x和y轴形成的平面倾斜θ时，各个力传感 器相对于应力F1的检测分量。如图5C所示，当由x和y轴形成的平面 倾斜θ时，各个力传感器相对于应力F1的检测分量是：
力传感器a的检测分量：Fx11＝αx×F1×cosΦ×cosθ
力传感器b的检测分量：Fy11＝αy×F1×cosΦ×cosθ
力传感器c的检测分量：Fz11＝αz×F1×sinΦ
此外，各个传感器相对应力(重力)-F2的检测分量是：
力传感器a的检测分量：Fx2＝αx×(-F2×sinθ)
力传感器b的检测分量：Fy2＝αy×(-F2×sinθ)
力传感器c的检测分量：Fz2＝αz×(-F2×cosθ)
αx、αy和αz分别是力传感器a、b和c的检测灵敏度系数。
因此，各个力传感器相对于在被检测轴X的方向上的应力F1和由于 重力F2而在Z轴方向上接收到的应力的检测输出如下：
力传感器a的检测输出：
Fx＝Fx11+Fx2＝αx×(F1×cosΦ×cosθ-F2×sinθ)
力传感器b的检测输出：
Fy＝Fy11+Fy2＝αy×(F1×cosΦ×cosθ-F2×sinθ)
力传感器c的检测输出：
Fz＝Fz11+Fz2＝αz×(F1×sinθ-F2×cosθ)
在此，根据力传感器a、b和c的检测输出，求得在被检测轴X的方 向上的复合输出F如下：
F＝Fx+Fy-Fz
 ＝(αx+αy)×(F1×cosΦ×cosθ-F2×sinθ)
   -αz×(F1×sinθ-F2×cosθ)
因此，能够消除F2分量的条件是：
F2×(αz×cosθ-(αx+αy)×sinθ)＝0
即，αz＝(αx+αy)×tanθ                               公式(9)
是可以接受的。
在被检测轴上的应力F1是：
F1＝F/{(αx+αy)cosΦ×cosθ-αz×sinθ}                公式(10)
按照公式(10)，同样在第二实施例，检测输出F可以仅基于应力F1。
使用3个轴x、y和z的力传感器a、b和c来消除F2的第二实施例 对应于通过用传感器a和b作为两个子传感器(参见表4中示出的方式 III)替换先前描述的使用X和Z轴或Y和Z轴的2个轴传感器的第一实 施例的X轴力传感器或Y轴力传感器(参见在图4的表格中示出的方式 的I和II)而得到的实施例。
此外，与第一实施例的情况相比，在公式(10)中确定的相对于第 二实施例的被检测轴方向的应力检测输出F1具有下述特征。
例如，根据第二实施例，假设Φ＝45°，α＝αx＝αy并且θ＝10°，
F1＝F/{(αx+αy)×cosΦ×cosθ-αz×sinθ}
$=F/\{2\alpha (\sqrt{2}/2)\times \cos \Phi \times \cos \theta -2\alpha \times \tan \theta \times \sin \theta \}$
  ＝(2Fx-Fz)/1.33α
另一方面，根据使用两个轴传感器的第一实施例，根据公式(4)：
α＝αx，αz＝α×tanθ
F1＝(Apx-Apz)/(αx×cosθ-αx×tanθ×sinθ)
  ＝(Apx-Apz)/0.954α
因此，由于在采用第二实施例(使用了3个轴传感器)的情况下有 (2Fx＞Apx，Fz＝Apz)，所以可以认为该检测输出大于第一实施例的检测 输出。
接着，将根据上述实施例中的每个实施例来描述实施例的示例。
实施例示例1
图6是一个实施例示例的示意图，其中采用了本发明的力传感器装 置由多轴电阻型力传感器芯片构成。
图6A是安装在力传感器装置的封装10中的装配式传感器芯片的俯 视图。图6B是沿着直线A-A’的截面图。
作为制造步骤，首先在SOI基板的表面上形成压阻元件14和A1配 线，所述SOI基板是通过利用图6A中所示的阳极耦合将其上形成有热氧 化物膜SiO2 101的硅基板100接合到第二硅基板102上获得的。图6A仅 示出压敏电阻器14。
接着，通过使第二硅层102经过深度反应离子腐蚀(Deep RIE)等 蚀刻出区域16。此外，从第一硅基板100的侧边执行蚀刻。此时，由于 氧化物膜层(SiO2)101阻止了对第二硅层102的蚀刻，所以根据俯视图 的构图形状刻出区域16。因此，形成了固定框架部分11、重体部分(weight portion)12和连接固定框架部分11和重体部分12的梁13。此外，通过 将硼硅酸玻璃板17接合到固定框架部分11形成底面部分103。
在梁13与固定框架1以及梁13与重体部分12之间的多个连接部分 中分别设置有形成在第二硅层102的表面上的多个压阻元件14，梁13定 位在相正交的轴方向上，而重体部分12定位在中心。
如随后将描述的，作为沿水平方向的应力的结果，会产生重体部分 12的位移，并且相应地在相正交的轴方向上的梁13发生位移。因此，通 过检测在压阻元件14的电阻值的改变，能够检测出应力的大小和方向。 因此，利用在形成有压阻元件14的相正交方向上的梁13，获得两个力传 感器(1，2)。
此外，针对在重体部分12上的垂直应力在压阻元件14中产生电阻 改变，因此，获得通过检测在电阻中的这个改变来检测在垂直方向上即 在与纸面垂直的Z轴方向上的应力的第三力传感器。
在图6A中，在水平方向上在梁13上形成有平行设置的压敏电阻器 Rx1至Rx4和Rz1至Rz4(参见图6B)，并在垂直方向上在梁13上形成有 压敏电阻器Ry1至Ry4。
如随后将要描述的，使用压敏电阻器Rx1至Rx4用于X(x)轴方向 的应力分量检测传感器，使用压敏电阻器Rz1至Rz4用于Z轴方向的应 力分量检测传感器，使用压敏电阻器Ry1至Ry4用于Y(y)轴方向的应 力分量检测传感器。
上面包括三个力传感器的结构与在先前在“3-axis sensor development”(‘Inventions’Journal，pages 52 to 63，September 2003； issued by the Invention society)中描述的结构相同。然而，在“3-axis sensor development”(‘Inventions’Journal，pages 52 to 63， September 2003；issued by the Invention society)中出现的发明的 情况下，使用了三轴方向上的传感器，用于检测在分别与各个传感器相 对应的轴上的应力。
相反地，本实施例通过使用在两个或三个轴上的力传感器来检测在 一个轴方向上的应力。也就是，通过使用三个轴方向上的三个力传感器 中的X轴方向或Y轴方向力传感器和Z轴方向上的第三力传感器，能够 实现第一实施例的力传感器装置。
此外，通过安装如图6A所示的多轴电阻型力传感器芯片使得与直线 A-A’形成45°角的方向与应力的被检测轴X的方向相一致，和通过使用 在与纸面水平方向内相互正交的两轴的x和y轴方向上的两个力传感器 和检测在与纸面正交的Z轴方向上应力的力传感器，能够实现第二实施 例的力传感器装置。在这种情况下，在第二实施例中角度Φ是45°。
图7示出了在将第二实施例构造为力传感器装置的情况下实现封装 小型化的结构示例。图6A示出了通过沿着框架线20切割所形成的传感 器芯片的上部平面。该结构的特征在于：在维持小型化要求的同时，与 图6A所示的封装10相比，能够降低封装的大小。
在图7中，获得两个第一和第二力传感器a和b和第三力传感器， 所述第一和第二力传感器a和b分别检测针对图5A所示的X轴方向上的 应力F1在两个水平轴x和y的方向上的应力分量，第三力传感器检测与 纸面垂直的方向(Z轴方向)上的应力。
因此，通过分别使用两个第一和第二力传感器a和b和第三力传感 器能够构成检测应力F1的先前描述的第二实施例。
图8示出在与图6和图7的三个轴方向上的应力传感器的应力相对 应的压敏电阻器的变化。
图8A示出当应力沿着X(Y)轴的水平方向被传递时，压敏电阻器的 改变。作为在X(Y)轴方向上的应力的结果，压敏电阻器Rx1和Rx3的 伸展增加了阻抗值，而压敏电阻器Rx2和Rx4的收缩降低了阻抗值。
图8B示出当在沿着Z轴的垂直方向上传递应用时压敏电阻器的改 变。作为在沿着Z轴的向上方向上的应力的结果，重体部分12下降，因 此，压敏电阻器Rz1和Rz4的伸展增加了阻抗值，而压敏电阻器Rz2和 Rz3的收缩降低了阻抗值。
通过判断阻抗值的这些改变的组合，获得应力的方向和大小。
图9是这样一个示例：其中将在图6B的剖面图中所示的传感器芯片 的梁13上形成的压敏电阻器连接起来。如图10所示，这些连接还对应 于力传感器a、b和c，它们分别连接到在图10A、10B和10C中示出的惠 斯登电桥。
在此，桥电阻器的输出电压Vout如下给出：
Vout＝{R4/(R1+R4)-R3/(R2+R3)}Vc          公式(11)
因此，当如图8A和图8B传递应力时，图10A、10B和10C的桥电阻 器分别对应于在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上的力传感器，因此，Vp 和Vn之间的电压就是如下的输出电压Vout：
X轴方向传感器输出：
$\mathrm{Voutx}=(\frac{\mathrm{Rx}4-\mathrm{\Delta Rx}4}{(\mathrm{Rx}1+\mathrm{\Delta Rx}1)+(\mathrm{Rx}4-\mathrm{\Delta Rx}4)}-\frac{\mathrm{Rx}3+\mathrm{\Delta Rx}3}{(\mathrm{Rx}2-\mathrm{\Delta Rx}2)+(\mathrm{Rx}3+\mathrm{\Delta Rx}3)})\mathrm{Vc}$
                            公式(12)
Y轴方向传感器输出：
$\mathrm{Vouty}=(\frac{\mathrm{Ry}4-\mathrm{\Delta Ry}4}{(\mathrm{Ry}1+\mathrm{\Delta Ry}1)+(\mathrm{Ry}4-\mathrm{\Delta Ry}4)}-\frac{\mathrm{Ry}3+\mathrm{\Delta Ry}3}{(\mathrm{Ry}2-\mathrm{\Delta Ry}2)+(\mathrm{Ry}3+\mathrm{\Delta Ry}3)})\mathrm{Vc}$
                            公式(13)
Z轴方向传感器输出：
$\mathrm{Voutz}=(\frac{\mathrm{Rz}3-\mathrm{\Delta Rz}3}{(\mathrm{Rz}1+\mathrm{\Delta Rz}1)+(\mathrm{Rz}3-\mathrm{\Delta Rz}3)}-\frac{\mathrm{Rz}4+\mathrm{\Delta Rz}4}{(\mathrm{Rz}2-\mathrm{\Delta Rz}2)+(\mathrm{Rz}4+\mathrm{\Delta Rz}4)})\mathrm{Vc}$
                            公式(14)
作为实施例的示例，各个传感器的检测电压通过图11所示的输出电 路块100输出。
图11仅示出一个力传感器1的输出电路块100的结构，因为此结构 对于三个力传感器相同的。
除了输入放大器元件110和输出放大器单元120之外，输出电路块 100还包括查找表130。
在图10中示出的惠斯登电桥输出电压Vp和Vn通过输入放大器元件 110输出，随后通过输出放大器121放大并输出。
当安装力传感器时，查找表130存储放大器输入增益调谐电阻器111 和输出增益调谐电阻器121的调谐值，从而获得与相对于被检测轴方向 的多个倾斜角度θ中的各个倾斜角度θ相对应的力传感器检测灵敏度系数 α。
在第一实施例中，倾斜角度θ和力传感器检测灵敏度系数α之间的对 应关系是αz＝αxtanθ(参见公式(4))。此外，在第二实施例中， αz＝(αx+αy)×tanθ(参见公式(9))。
因此，借助于利用倾斜角度θ通过访问查找表130读取的调谐值，来 调谐输入增益调谐电阻器111和输出增益调谐电阻器121，获得预定的放 大增益。
对于输出放大器单元120的输出来说，求得在被检测轴方向上的应 力，在对电路(未示出)采用第一实施例的情况下所述应力是通过计算 上述公式(6)确定的，而在对电路(未示出)采用第二实施例的情况下 所述应力通过计算上述公式(10)确定的。
在此，在公式(12)、(13)和(14)中，
ΔRx1ΔRx2ΔRx3ΔRx4
ΔRy1ΔRy2ΔRy3ΔRy4
ΔRz1ΔRz2ΔRz3ΔRz4
因而，公式(12)、(13)和(14)是下面的公式(15)、(16)和(17)。
$\mathrm{Voutx}=(\frac{\mathrm{Rx}4-\mathrm{\Delta Rx}4}{\mathrm{Rx}1+\mathrm{Rx}4}-\frac{\mathrm{Rx}3+\mathrm{\Delta Rx}3}{\mathrm{Rx}2+\mathrm{Rx}3})\mathrm{Vc}$
                        公式(15)
$\mathrm{Vouty}=(\frac{\mathrm{Ry}4-\mathrm{\Delta Ry}4}{\mathrm{Ry}1+\mathrm{Ry}4}-\frac{\mathrm{Ry}3+\mathrm{\Delta Ry}3}{\mathrm{Ry}2+\mathrm{Ry}3})\mathrm{Vc}$
                        公式(16)
$\mathrm{Voutz}=(\frac{\mathrm{Rz}3-\mathrm{\Delta Rz}3}{\mathrm{Rz}1+\mathrm{Rz}3}-\frac{\mathrm{Rz}4+\mathrm{\Delta Rz}4}{\mathrm{Rz}2+\mathrm{Rz}4})\mathrm{Vc}$
                        公式(17)
根据公式(15)至(17)可以理解，通过仅替代公式(15)或(16) 的R3和R4获得公式(17)。
因此，如图12所示，仅形成电阻器Rx1至Rx4和Ry1至Ry4，分别 用于图9中的正交梁13上的X轴和Y轴传感器。此外，在输出电路块100 中，使用时分将电阻器Rx3和Rx4或电阻器Ry3和Ry4之间的连接从图 10A或图10B中的连接切换成图10C中的连接，因此，可以将Z轴传感器 压阻元件与X轴传感器压阻元件或Y轴传感器压阻元件共同使用。
此结构使得能够平衡正交形成的压阻元件和连接配线。因此，能够 预期检测特性的改进。
即，通过如图12所示在正交梁上形成压敏电阻器和配线，使得梁上 的应力均匀，因此温度特性的偏移降低和平坦化是可以实现的。
图13还示出了当考虑了梁应力的均匀性时压敏电阻器的另一种构造 示例。
图13A是对应于先前描述的图12的示例，并表示这样一种结构，其 中在正交梁上形成在图13中省略的4个电阻和配线。相反地，图13B是 另外一个构造的示例，其中在两个正交梁上和对应配线一起形成与用于 图9中的沿Z轴方向进行检测的电阻器Rz1至Rz4等效的多个电阻。在 这个实施例的情况下，梁应力也是均匀的。此外，在图13B的示例中， 不需要利用时分来切换X和Y轴应力检测和Z轴应力检测，处理与先前 描述的图9的处理相同。
图14是与图12中示出的实施例的示例相对应的输出电路块100的 结构示例。该基本结构与图11的结构相同，因此，在此将省略另一个详 细的描述。区别在于这是这样一种结构，其中通过利用时分切换在力传 感器1的压阻元件R3和R4之间连接的开关电路101将所检测的电压输 入给输入放大器单元110。
根据先前的引用，切换压力传感器1的压阻元件R1和R4的连接， 从而随后使R3和R4的连接反转。也就是，通过根据时钟102的时分定 时，利用开关电路101切换用于X轴或Y轴检测的连接形式(图10A或 10B)和用于Z轴应力检测的连接形式(图10C)，将力传感器1的检测输 出输入给输入放大器110。
图15更详细地示出了开关电路101的操作。在图15A中桥连接的电 阻器R1和R4以及R2和R3(参见图10A或10B)是断开的，并且将使电 阻器R4和R3断开连接的一侧连接到开关电路101。
开关电路101具有图15B的结构，因此，当开关在b侧时，执行X 轴检测，并且，当开关在a侧时，执行Z轴检测。从外部对提供给开关 电路101的切换时钟102的提供进行控制，当开关在b侧时，将输出放 大器单元120的输出读取为X轴输出，当开关在a侧时读取为Z轴输出。
在此，当为直流电流切换开关电路101时，测试是简单的。然而， 通过利用高速切换时钟101执行切换操作并且同步地读取输出，能够实 现对X轴和Z轴上的应力的同时测量。
尽管至此已经对使用压阻元件和通过其压阻值的改变来检测应力的 改变的力传感器装置的一个示例进行了描述，但是本发明的应用并不限 于这种示例。图16是根据本发明的传感器装置的另一结构示例，其中对 电容的改变而不是电阻的改变进行检测。
也就是，如图16A中示出的剖面结构所示，形成共用于重体部分12 和梁13的电极板M0，并在位于与电极板M0相对一侧的固定板部分30上 设置有电极板M1、M2和M3，由此获得各个电容值。如图16B和图16C所 示，相对电极板之间的电容会因重体部分12的位移而波动。因此，通过 利用图10所示的惠斯登电桥结构来检测这些电容中的改变，可以检测应 力的大小和方向。
此外，作为另外一种方法，将磁性改变等等而不是上述电阻和电容 的改变检测为关于梁13上应力的物理量的改变的结构也是可行的。
图17示出了上述各个实施例共用的传感器装置的封装结构的实施例 的一个示例。图17A是去掉盖子40的顶视图，而图17B是沿着图17A中 的直线B-B’的剖视图。
如图17B所示，本发明的特征在于：利用配线基板41在上下两段上 装配有安装有传感器芯片1的区域和安装有装配了图11所示的输出电路 块100的控制芯片20的区域。传感器芯片1与周边电极端子42和接合 线43连接，控制芯片20通过倒针(flip tip)42a连接到配线基板41。
此外，如在图17A的顶视图中可以看出的，在该实施例的示例中， 示出了如下的一个示例：形成在传感器芯片1的正交梁上的压阻元件具 有与形成在传感器芯片1的正交梁上的用于在图13B中所示的Z轴方向 上进行检测的电阻器Rz1至Rz4等效的电阻相对应的配线。
在此，仅将输出电路块100的功能内置在控制芯片20内，并将对各 个力传感器的检测输出引导到位于外部的处理电路(未示出)。位于外部 的处理电路在第一实施例中执行公式(6)的计算处理，并在第二实施例 中执行公式(10)的计算处理。可选择地，可以将控制芯片20构造为包 括根据输出电路块100的输出利用公式(6)或(10)来执行计算的功能 电路。
图18示出根据上述本发明的力传感器装置的效果。即使在将该力传 感器装置以相对于传递应用的方向A倾斜角度θ安装的情况下，也会通过 如先前描述的本发明消除在Z轴方向上的分量。因此，不需要如常规的 情况那样在传感器芯片1下面安装基座3以消除Z轴方向分量，这意味 着可以将该力传感器装置小型化。
此外，如在图11中描述的，通过根据安装传感器装置的倾斜角度θ 来输入倾斜角度数据，能够对用于获取构成对应条件的检测灵敏度系数 (公式(4)和(9))的放大器增益进行调谐。因此，能够防止在检测输 出中Z轴方向分量作为噪声出现。因此，安装并不限于安装传感器装置 的倾斜角度θ，因此，能够显著地降低在安装工作中涉及个人的工时。
在此，在对上面图11中的实施例的描述中，描述了如下一种处理： 当将根据本发明的力传感器装置连接到诸如汽车导航设备的实际设备 时，通过根据倾斜角度θ访问查找表130而获取力传感器检测灵敏度系数 α，来对输入放大器单元110的输入增益调谐电阻器111和输出放大器单 元120的输出增益调谐电阻器121进行调谐。
当将力传感器装置安装在实际设备中时，可以将倾斜角度θ作为在装 配处理中预先设定的安装角度来输入。
另一方面，该构造可以是这样：自主地求得在安装有根据本发明的 力传感器装置的状态中的倾斜角度θ，随后将其用于参考查找表130。在 这种情况下，在安装步骤时倾斜角度θ的输入是没有必要的，因此在实际 设备中安装力传感器装置的工作中实现了更高的效率。
图19是自主地求得这个倾斜角度θ的一个实施例示例的结构的框图。 图19包括作为力传感器装置的输出电路块100的部件或者与力传感器装 置独立地提供的处理单元140。
在对应于第二实施例的情况下，该结构包括分别与在x、y和Z轴方 向上的应力分量的检测相对应的用于x、y和Z轴方向上的传感器1x、1y 和1Z的3个输出电路块100x、100y和100Z。
在对应于第一实施例的情况下，可以与x和y轴相对应地仅提供2 个输出电路块。
在图19中，各个输出电路块100x、100y和100Z具有在图11中描述 的功能操作。处理单元140具有通过接口143向其输入的输出电路块的 输出，并在此基础上，通过CPU 142在第一实施例中根据公式(6)计算 在被检测轴方向上的应力检测输出Ax，或者在第二实施例中根据公式 (10)计算在被检测轴方向上的应力F1，并通过接口145输出应力检测 输出Ax或应力F1。根据安装有力传感器装置的设备的目标，使用力传感 器装置。
在图19中，继续描述自主地求得倾斜角度θ的实施例。图20是对于 自主地求得倾斜角度θ的情况的实施例示例的操作流程。作为先决条件， 将安装有根据本发明的力传感器装置的设备水平地放置(步骤S1)。在这 个时候，所传递的力仅是自然重力。在此，当仅传递自然重力时注意力 集中在Z轴方向的力传感器1Z，在力传感器1Z处于水平的状态(倾斜 0°)下输出为0，而在力传感器1Z处理垂直方向的状态(90°倾斜)下输 出最大，其中输出的变化根据倾斜角度θ符合正弦曲线。在图21中示出 了这一点。
使用这个事实，预先在处理单元140的存储器141中的表格中存储 力传感器1Z的输出、当安装力传感器装置时力传感器1Z相对于垂直方 向的倾斜以及由此相对于水平方向的倾斜角度θ之间的关系。
在安装有力传感器装置的设备是水平的状态下，将电力提供给力传 感器装置(处理步骤P2)。
在此，当将电力初始提供给力传感器装置(步骤S2)时，在处理单 元140中，将对应于力传感器1Z的输出电路块100Z的输出输入给处理 单元140，并通过参考存储在存储器141中的对应表格求得有关对应角度 θ的信息(步骤S4)。
将此时求得的有关角度θ的信息作为安装倾斜角度存储在存储器141 (步骤S5)。
此后，如果不需要新输入角度信息(步骤S6，否)，则使用存储在存 储器141中的安装倾斜角度θ(步骤S7)。作为安装倾斜角度θ的一种使用 方式，如图11所示，通过参考查找表130，对输入放大器单元110的输 入增益调谐电阻器111和输出放大器单元120的输出增益调谐电阻器121 进行调谐。
此外，在步骤S6中，如果需要新输入角度信息(步骤S6，是)，则 重新设置角度信息的存储，并使处理返回到步骤S2(步骤S8)。
此外，在图20的步骤S3中，如果不是将功率初始提供给力传感器 装置(步骤S3，否)，并且如果尚未重新设置存储器141的角度信息，则 继续照常使用输入的角度信息(步骤S9，否)。
因为在图19中示出这个结构包括处理单元140，所以可以测量安装 力传感器装置自身的倾斜角度，并在输入放大器单元110和输出放大器 单元120的灵敏度调谐中使用，由此获得更高效的装配处理。
在此，将描述如下一种情况的示例：在图20的流程中，在步骤S6： 是和步骤S8已经存储器141中的角度信息首先被重新设置，随后输入新 的角度信息。
这是这样一个示例：当将本发明的力传感器装置集成到汽车导航设 备中并安装在汽车内时，使用该力传感器装置来防止车辆被窃。
根据先前的描述，通过力传感器装置自身自主地求得当在汽车内安 装有力传感器装置时的倾斜角度，相应地调谐输入放大器单元110的输 入增益调谐电阻器111和输出放大器单元120的输出增益调谐电阻器 121。
此外，当司机远离汽车时，根据关闭引擎重新设置存储器141中的 上述倾斜角度θ信息。此后，当假设汽车正在被盗窃时，汽车的任一前轮 或后轮被顶起，则汽车会倾斜。相应地，获得力传感器装置的Z轴方向 传感器1Z的输出，其对应于与汽车处于水平状态相不同的状态。
因此，在该汽车处于静止状态并且力传感器装置的Z轴方向传感器 1Z的输出改变的情况下，通过控制单元(未示出)检测到异常，并发出 告警等，由此能够防止车辆的被窃。
工业适用性
根据上述参考附图对本发明实施例的描述，当在待检测的设备中安 装有根据本发明的传感器装置时，可以通过单独地程序设置，而与规定 的安装角度无关地使用该传感器装置。因此，能够同时降低工作和成本， 这构成对该行业的重大贡献。